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细线切割巨轮,€三体€里的古筝行动现实吗?
《三体€电视剧的第29集,都看过了没有啊?
这一集堪称神作,近乎完美展现了原著第€部里的高潮情节€€古筝行动€?/p>
《三体€电视剧海报
腾讯视频
这是全球军方的一场联合行动,利用剧中人物汪淼研发的纳米材料€飞刃€,在巴拿马运河€窄处拉起数十条纳米细线,如同古筝上的琴弦?/p>
当地球叛军ETO的大本营—€€审判日”号巨轮驶过时,强度极高的细线将巨轮切割成了40多张薄片,一举消灭了船上的ETO成员,同时截获了三体人的重要信息?/p>
被€古筝€切成数十张薄片的€审叛日”号巨轮
《三体€电视剧
电视剧€三体€复现了这一情节,巨轮像豆腐€样被悄无声息地切€后又像一叠扑克牌那样向前摊开的场面,令人拍案叫绝?/p>
尽管《三体€是€个科幻故事,但对于如此令人印象深刻的古筝行动,不少读者难免会有一丝好奇:现实世界中真的有细丝能切割巨大的轮船吗?
古筝行动,现实中可行吗?
在我们的日常生活中,细线切开物体的例子比比皆是€?/p>
€根铁丝能轻松切开豆腐,切蛋器的钢丝能将鸡蛋切片,还有风筝线割伤人的身体甚至汽车车身的新闻…€?/p>
似乎细线状的物体,就是为切割而生的€?/p>
切蛋器的原理和古筝行动类?/p>
细线能切割物体,€个重要原因是能够在物体表面产生巨大的压强?/p>
压强是物体在单位面积上受到的压力,在压力相同的情况下,细线和物体的接触面积很小,巨大的压强使物体变形甚至割裂?/p>
压强的单位是帕斯卡,€称为帕(Pa)€?/p>
钉子可以钉进木板,保龄球瓶却不行,就是因为压强不同|可汗学院
而对于被细线切割的物体,要评判它容不容易被细线切断,€个重要的指标就是硬度(hardness)€?/p>
按照材料力学的定义,硬度是材料在€定条件下抵抗硬物压入其表面的能力,压入表面的形式包括变形、划痕€切削等等€?/p>
以豆腐€蛋糕为例,用手€捏就会变形,硬度很低,找€根铁丝就很容易切€;€钢铁的硬度很高,用细线切开绝非易事?/p>
衡量材料硬度的标准有很多种,比如说大家熟悉的莫氏硬度(Mohs scale),是根据矿物相互刻划的划痕来定义的。不过,莫氏硬度并不能反映材料的绝对硬度,不利于定量分析?/p>
€种较多采用的硬度标准是布氏硬度(Brinell scale),测量方法用硬质合金球压头在材料上施加力使其产生永久压痕变形,实验施加的力除以压痕的表面积就是布氏硬度的€€?/p>
测量布氏硬度的示意图
Wiki
同样是力除以面积,布氏硬度的单位和压强正好相同,都是Pa?/p>
钢铁的布氏硬度一般在200 MPa左右? MPa等于100?Pa。这个压强有多大呢?大概相当?00头大″时站在你的一只脚上€施加如此大的压强才能€成形变,可见钢铁的硬度有多高€?/p>
钢铁的布€硬度很高,以MPa为量?
Dreamstime
虽然细线与材料接触面积小,但是要突破钢铁的布氏硬度进而实现切割,对力学€能的要求还是过于严苛€?/p>
在小说的设定中,切割巨轮的细线粗细大约相当于头发丝的十分之一,直径大概是10微米左右。对巨轮的拦截长度不妨计?0米€简单估算后可知,要达到200 MPa的压强,每根细线在垂直方向上€受的力高?0000牛顿?/p>
垂直方向上受?0000牛顿,相当于细线上踩了一头大?
图虫创意
不仅€要几十米的长度,还要在侧面受到极大的压力,切割过程中还有磨损与发热,这是直径只有10微米的线状材料难以承受的?/p>
在未来很长一段时间内,人类可能都无法找到合€的材料,制备出如此强大的细线€?/p>
机械工程中的“线切割?/p>
虽然古筝行动在现实中暂时还很难实现,但是在实际的工程€术中,用线状工具切割材料的场景并不少见€?/p>
线锯(wire saw)就是一种专门用金属线或缆绳切割大块固体材料的工具€典型的金刚石切割线,结构是利用烧结、电€或钎焊等方式将金刚石磨粒固定在高强度钢线上,与待切割物体进行高€磨削运动,从€达到切割的目的。从宝石、水晶到花岗岩€钢筋混凝土,金刚石切割线几乎可以切割任何硬度小于金刚石的材料€?/p>
线锯切割花岗?
optimaindia.com
机械制€业中还有一种叫做€线切割”的加工€术,全名是电火花线切割加工(Wire Cut Electrical Discharge Machining)€加工方法是用一根移动的金属线充当电极,在电极与工件之间施加脉冲电压进€产生火花放电,放电产生的瞬时高温将工件表面熔化或汽化,通过控制电压即可将工件切割成预想的尺寸和形状?/p>
线切割技术用电火花熔化材?
sl-machining
虽然表面上同样是用线状物体切割材料,线锯和线切割的原理和古筝″中细丝切割轮船完全不同€?/p>
线锯切割主要依靠材料之间的高速摩擦,而线切割与其说是“切”,不如说是“烧”,是用火花放电的高温来对材料进行加工,金属丝甚至没有和材料发生接触?/p>
与之对比,古筝行动中的细线单纯用硬压的方式切割轮船,只能说是小说的剧情需要€?/p>
无坚不摧的€水€?/p>
让我们刨根问底一下,如果我就想€过极高的压强直接暴力击穿和切割钢铁,在现有€术条件下能否实现呢?
能!大名鼎鼎的€水€”就是€?/p>
水刀即高压水射流切割€术(Water Jet Cutting),水流经过增压后从口径极小的喷嘴中喷出,形成射速可?000?秒(?倍音速)的€水箭€,凭€超高的压强切割接触的物体€?/p>
水刀切割手表
Interesting Engineering
上文提到钢铁的布氏硬度大约是200MPa,€水€的压强最高能超过400MPa,已经远远超过大多数材料能够承受的极限€?/p>
不仅如此,水€的水流中还会混入磨料颗粒,从而获得锯条的特€,进一步增加切割能力,几乎可以切割任何硬质材料?/p>
水刀切割8英寸(约20厘米)厚不锈钢块
SchGo Engineered Products, Inc.
然€,即使是削铁如泥的水刀,和古筝行动中细线的切割能力相比,还是差得很远€?/p>
水刀的水流在喷出喷嘴后会发散,还会受到空气阻力的影响,因此能量随距离快€“减,切割厚度€多达?0-20厘米的量级,对于切割巨轮那么庞大的物体完全无能为力€?/p>
更不用说水刀工作起来声势浩大,像古筝行动那样悄无声息割船于无形,也是不可能做到的?/p>
割船不是目的,太空电梯冲€?/p>
恐€真的要像€三体€的科幻设定那样,等人类发明出力学€能超强的材料,即€飞刃€,才有可能完成古筝行动这样的€邪招€€€既不动声色€全船人于无形,又€大限度‘保不知道存在哪里的三体人信息不被破坏?/p>
这样的场景,暂时还只能是科幻
《三体€电视剧
如果人类真的能够发明出力学€能如此强大的材料,那么它将拥有极其广大的应用场景,绝不只是切割€艘巨轮这么简单,更会为人类文明带来跨越式的发展€?/p>
在€三体€的故事线里,正是因为汪淼解决了“飞刃€的量产问题,这种无比坚韧的纳米材料才在续作里应用于太空电梯的制造,使得200年后的人类得以大规模进入太空,组建起了由2000艘星际战舰构成的庞大太空舰队,信心满″正面迎战三体文明发来的先遣探测器?/p>
《流浪地?》里的太空电梯,用的也是汪淼的€飞刃€吧…€?
《流浪地?》预告片
只可惜,如此令人艳羡的太空技术飞跃,三体文明看在眼中,其实并不在乎€€?(不能再多说了,要不就剧透到第二部了。)
好在,现实世界里人类并没有面临三体危机,也不€要用古筝行动去切割巨轮,但像太空电梯那样能够大规′成本迈进太空带来的好处却是实实在在的?/p>
现实世界的€汪淼€们加油?/p>
毕竟,我们的征€是星辰大海?/p>
参€文?/p>
[1]刘鸣? 刘胜? 陈永,? 金属材料力学性能手册[M]. 机械工业出版? 2011.
[2]张波, 刘文? 胡晓? ? 线锯切割€术的应用与发展[J]. 超硬材料工程, 2008 (1): 45-48.
[3]https://en.wikipedia.org/wiki/Wire_saw
[4]https://www.techniwaterjet.com/cutting-steel-with-water/
[5]陈光? 数控超高压水射流切割€术的特点及其应用[J]. 机床与液? 2007, 35(8): 64-68.
[6]https://www.youtube.com/watch?v=N6CCIyRjMvo
[7]https://www.youtube.com/watch?v=FXk76rWYdEs
作€:中子?/p>
编辑:Steed
封面图来源:电视剧€三体€剧?/p>
€个AI?/p>